L’impression 3D de A à Z

Cet article a été rédigé par Jeanett Tschiersky,Director CTC Strategic Marketing, et Dr Sergej Stoetzer, Expert Stratégie Produits, Enseignement et Formation chez Conrad

Peu de technologies se sont développées aussi rapidement que l'impression 3D en seulement quelques années. En très peu de temps, les appareils de prototypage professionnel sont devenus des outils convenant aux bricoleurs, et permettent aujourd'hui de produire aussi bien des pièces de grande taille que des pièces complexes, jusqu'à la production en petite série, en utilisant la technologie additive

Techniques d'impression dans le monde 3D

Il y a de nombreuses façons de créer des objets 3D. La plus simple, et aussi l'une des premières technologies mises au point dans les années 1980, est la dépose en couches successives d'un matériau fusible, qui se solidifie par la suite et permet donc "d’imprimer" couche par couche un objet tridimensionnel. Ce procédé est appelé FDM (Fused Deposition Modelling, ou modélisation par dépôt de fil en fusion) ou FFF (Fused Filament Fabrication, ou fabrication additive par dépôt de matière fondue). S’agissant d'impression 3D, on parle principalement de "fabrication additive", puisque de la matière est ajoutée couche par couche, contrairement à l’usinage conventionnel où la pièce acquiert sa forme grâce à l’enlèvement de matière.

Jeanett Tschiersky

D'autres méthodes d'impression existent comme le SLS (Selective Laser Sintering, ou frittage laser sélectif) et la SLA (Stereo Lithography, ou stéréolithographie). Avec le procédé moderne SLS, la poudre est rapidement chauffée avec un laser, et se met donc à fondre. Ensuite, elle se solidifie à nouveau. Le matériau refroidit très rapidement et conserve donc sa forme. Grâce au frittage laser sélectif, on peut générer des couches de l'ordre du micron, et ainsi créer des structures délicates et de grande précision. On utilise pour cela de la poudre de plastique, de métal ou de céramique. L'utilisation de matériaux autres que le plastique rend ce procédé d'impression particulièrement intéressant pour les applications industrielles.

La stéréolithographie est l'un des procédés d'impression 3D impliquant des liquides. Il s’agit de la première technique utilisée pour créer des objets tridimensionnels à l’aide d’une imprimante. Avec ce processus, la pièce est produite à partir d'un bain de plastique, que l’on fait durcir aux endroits appropriés grâce à un laser. La procédure est techniquement assez complexe, mais néanmoins assez développée. Les pièces produites peuvent présenter une très grande précision, mais seuls certains plastiques conviennent à l'impression SLA.

Une autre méthode récemment développée est le “polyjet”. Grâce à plusieurs têtes d'impression, plusieurs matériaux différents peuvent être utilisés et combinés.

Les têtes embarquent un matériau de construction et un matériau support. Les photopolymères utilisés dans ce procédé durcissent à la lumière UV. Si l’on utilise plus de deux têtes d'impression, on peut aussi créer des pièces faites de plusieurs matériaux différents. Ceux-ci peuvent avoir des duretés et des couleurs différentes.

Une première classification des différents procédés d'impression 3D peut se faire en fonction du type de matériau utilisé :

  • Impression 3D à matériaux en poudre (3DP) : cela comprend notamment le procédé SLS (Selective Laser Sintering) ou frittage laser sélectif.
  • Impression 3D à matériaux fusibles, tels que le procédé FDM.
  • Impression 3D à matériaux liquides. Cela comprend le procédé SLA, dans lequel la pièce est obtenue à partir de liquide, ainsi que le procédé polyjet, dans lequel un liquide similaire au matériau du procédé sous pression FDM est appliqué couche par couche, puis durci.

Comment fonctionne une imprimante 3D ?

Les processus d'impression 3D étant très différents, les contraintes techniques des différentes imprimantes sont également différentes. Par conséquent, la question du fonctionnement d'une imprimante 3D ne peut être résolue indépendamment du processus d'impression.

Dans le cas d’un procédé FDM, un fil plastique est fondu dans la tête d'impression et extrudé à travers une matrice. Le plastique fondu est déposé sur une plateforme où il refroidit. C'est ainsi que la pièce est fabriquée par couches successives. En fonction de la pièce, la méthode peut nécessiter une structure de soutien pour assurer la stabilité pendant le processus d'impression, notamment au niveau de certaines zones (surplombs, ponts). Idéalement, cette structure support est faite d'un matériau différent, déposé par une seconde buse, puis la structure est séparée de la pièce elle-même, après impression.

Sergej Stoetzer,

Le frittage laser, par exemple, se produit au sein d’une fine couche de poudre métallique, qui est mise en fusion par un laser. Le matériau se combine, puis durcit. L'étape suivante consiste à faire descendre légèrement la plateforme de construction et à appliquer une nouvelle couche de poudre. C’est ainsi que l’on obtient la structure en couches de la pièce. En outre, avec cette méthode, une structure de soutien est utilisée, qui sert aussi à dissiper la chaleur. En principe, le frittage laser peut aussi fonctionner avec de la poudre plastique, mais le procédé ne nécessite pas de structure de soutien.

Lors de l'impression avec des matières liquides, il existe, comme évoqué plus haut, différents principes de pression. Le procédé polyjet utilise des têtes d'impression similaires à celles d'une imprimante à jet d'encre. Le matériau photopolymère est appliqué goutte à goutte, puis durci directement à la lumière UV. On peut utiliser différents matériaux et différentes couleurs en même temps. Une structure support facilement démontable est également nécessaire. En stéréolithographie, le plastique est également durci à la lumière UV. Cependant, il faut pour cela un laser UV. La pièce est alors formée directement dans un bain de matériau photopolymère, qui durcit au point foyer du laser.

Du concept à la pièce 3D

Tout comme les imprimantes 2D classiques ont besoin d'un modèle (un texte ou une image sous la forme d'un fichier) pour produire une impression, l'impression 3D nécessite également un modèle. Toutefois, l'utilisateur doit pour cela générer un modèle tridimensionnel. Pour les débutants, il existe de nombreux modèles 3D prêts à l'emploi, que l’on peut télécharger gratuitement sur Internet. Dans les établissements d'enseignement ou de recherche, cependant, il est important de pouvoir créer des modèles correspondant à ses propres idées. Pour cette raison, tous les fabricants d'imprimantes proposent un logiciel appelé "slicer" (trancheur), qui permet de décomposer le modèle en tranches pour l'impression. En outre, certains fabricants indépendants proposent des logiciels de CAO, dont certains sont gratuits, adaptés à un large éventail d'équipements et à une large gamme de besoins. Les possibilités vont de formes relativement simples à des constructions plus complexes voire à des sculptures entières. Chaque utilisateur sélectionne son logiciel en fonction de ses besoins. Bien sûr, il est également possible de trouver des supports sur Internet et auprès des fabricants. La possibilité de transférer des données d'un scanner 3D vers une imprimante 3D est particulièrement intéressante. En plus des programmes CAO permettant de créer des modèles types, il existe aussi des logiciels pour contrôler ou réparer ces modèles CAO types.

L'application en ligne Tinkercad est un bon exemple de logiciel gratuit permettant de créer des modèles pour l’impression 3D. Il s’agit d’une solution idéale pour les écoles, car elle ne nécessite aucune expérience en CAO, ni aucun logiciel installé sur l'ordinateur. Les pièces peuvent être réalisées à partir de formes simples. Les modèles peuvent également être importés. L'utilisateur peut attribuer un matériau à chaque forme (uniquement pour la visualisation, car la pièce imprimée en 3D dépendra de la méthode d'impression 3D et des matériaux utilisés). Les formes peuvent être déplacées, orientées et ajustées librement dans l'espace. Avec des outils comme la règle, on peut saisir des dimensions avec précision. En outre, différentes formes peuvent être combinées pour créer des modèles avec le niveau de détail souhaité.

Quelle imprimante pour quel domaine d'applications ?

Comme pour le logiciel, ce qui suit s'applique au choix de l'imprimante. Les utilisateurs doivent d'abord définir clairement ce qu'ils veulent faire. Les différences entre les imprimantes 3D bas-de-gamme et haut-de-gamme ne sont pas toujours les mêmes. Cependant, les modèles les plus chers se caractérisent généralement par des résultats de meilleure qualité, ainsi qu'une meilleure résolution et une plus grande facilité d'utilisation. L'équipement, notamment le nombre de têtes d'impression ou d'extrusion, varie. Bien entendu, le traitement a également un rôle en termes de coût, ainsi que la technologie utilisée.

Imprimante Renkforce de Conrad RF2000_

Imprimantes 3D pour établissements scolaires

Pour les débutants et les établissements d'enseignement, les imprimantes FDM constituent le meilleur choix, car elles peuvent produire des pièces utilisables très rapidement. En outre, le matériau d'impression est bon marché et la maintenance est facile. Les imprimantes à frittage laser, par exemple, exigent une sécurité spéciale, tandis que les imprimantes SLA nécessitent une manipulation délicate du photopolymère.

Pour initier les débutants aux possibilités de l'impression 3D, les imprimantes FDM à simple extrudeuse sont idéales. La souplesse de production des pièces est largement déterminée par les fonctionnalités du logiciel de CAO utilisé. Ici, l'utilisateur peut choisir librement, l'offre va de simples applications en ligne jusqu’à des logiciels CAO très spécialisés.

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